Ni-Co-P/EG 复合材料制备及其电磁性能研究

2010-02-23宣兆龙张倩

装备环境工程 2010年4期

宣兆龙，张倩

（军械工程学院，石家庄 050003）

膨胀石墨（EG，expanded graphite）作为一种新型碳素材料，以其膨化率高、导电率高、吸附性强、隔热性能优良等优点在吸附、密封、减震、环保等方面得到广泛应用。文献[1]报道了膨胀石墨蠕虫因其吸收、散射特性而在电磁屏蔽领域得到应用。非晶态合金则由于其优异的力学、化学及磁学等性能广泛应用于表面金属材料。笔者研究了化学镀在膨胀石墨表面及内部孔结构上制备Ni-Co-P非晶态合金镀层及其对膨胀石墨电磁屏蔽效能的影响，探索了能够同时提高膨胀石墨电、磁损耗的新途径。

1 Ni-Co-P/EG 复合材料制备

目前，非晶态合金的制备方法主要有液态急冷法（包括激光加热）、气相沉积法（包括真空蒸镀、离子镀、溅射法、CVD 等）、溶液离子镀（电镀、化学镀等）等制备方法[1]。与其他方法相比，化学镀方法具有镀层厚度均匀且易于控制，表面光亮致密，材料适用性广，工艺设备简单等优点，是获得非晶态合金最为经济、简便的技术手段[2—4]。

非晶态合金作为在性能上优于其他材料的新型电磁屏蔽材料是利用磁旁路原理来引导场源所产生的电磁能流，使电磁能量不进入空间防护区。但是，仅采用单一的镀层材料难以获得良好的使用效果。为此可在化学镀镍磷溶液中加入其他金属盐，以产生三元非晶态合金，如Ni-Cu-P，Ni-Co-P等[5]。笔者选择的Ni-Co-P 合金镀层与Ni-P 合金相比，具有更高的导电性和耐蚀性，镍与钴的磁导率很高，约为铜粉的100倍，而且导电稳定性也比较好，适于作磁屏蔽材料。化学镀Ni-Co-P镀液基础配方及工艺流程如下：膨胀石墨除油—粗化—敏化—活化—还原—化学镀镍-钴。

膨胀石墨（自制）在50～60 ℃下NaOH水溶液（质量分数为10%）中超声震荡15 min，取出样品用去离子水冲洗至中性，用抽滤漏斗过滤，将得到的膨胀石墨加入适量去离子水洗涤至中性。然后在50～60 ℃下HNO3水溶液（质量分数为10%）中超声波震荡粗化15 min，取出样品用去离子水冲洗至中性，放入烘箱中40 ℃烘干。用敏化液（盐酸体积浓度为60 mL/L，SnCl2·2H2O质量浓度为10 g/L）室温下超声波震荡敏化15 min，取出样品用去离子水冲洗干净。用活化液（盐酸体积浓度为10 mL/L，PbCl2质量浓度为0.3 g/L）室温下超声波震荡活化15 min，取出后用去离子水冲洗3～5次。将1 g经敏化—活化处理过的膨胀石墨加入装有100 mL镀液（CoSO4·7H2O质量浓度为14 g/L，NiSO4·6H2O质量浓度为14 g/L，C6H5Na3O7·2H2O质量浓度为70 g/L，NaH2PO3·H2O质量浓度为30 g/L）的锥形瓶，并将锥形瓶置入超声波振荡器，在水温85℃以及超声波震荡的条件下进行反应。反应时有大量的气泡放出，镀覆时间分别为10，20，30，40 min，在反应过程中应间断地用玻璃棒进行搅拌，防止镀覆过程中由于粉体增重而沉入瓶底影响镀覆的效果。

2 Ni-Co-P/EG复合材料电磁性能分析

2.1 表征

图1 是化学镀Ni-Co-P 合金前后膨胀石墨的外观形貌。

由图1 可知，合金镀覆后并未改变膨胀石墨的形态，仍为弯曲蠕虫状，表面呈现灰的金属色，经能谱检测为Ni-Co-P合金。

图1 化学镀Ni-Co-P合金前后膨胀石墨的外观形貌Fig.1 Appearance of EG and Ni-Co-P alloy plated EG

2.2 电性能测试

称取一定质量的膨胀石墨压片，压强为5 MPa。电阻率测试采用与膨胀石墨接触面为1 cm2的棒状电极，按图2所示进行对角测试，并符合以下要求：

1）电极截面必须清洁；

2）测试电极采用端面为10 mm×10 mm 的方块；

3）为使电极截面与被测样品有良好的接触，测试端面应施加2 kg/cm2的压强；

4）测试设备的精度不低于0.001 Ω。

欧姆计选用美国生产的数字化万用表（PACKARD 3455A Digital Volt Meter），精度不低于 0.001 Ω。为使所测表面电阻率准确、可靠，测试时，按图2 所示位置进行两次对角测试，测试样品为正方形（100 mm×100 mm），4 个电极电位分别置于4 个角，对角距离为L，所得测量值分别为R1，R2。

表面电阻率ρs为：

ρs=（ρs1+ρs2）/2

式中：ρs1=R1/L；ρs2=R2/L；L=127 mm。

图2 化学镀膨胀石墨表面电阻率测试Fig. 2 Sketch map of measuring surface resistivity of Ni-Co-P alloy plated EG

膨胀石墨在镀覆金属10，20，30，40 min 时表面电阻率与镀层金属沉积量之间的关系见表1，膨胀石墨表面沉积了一层连续的Ni-Co-P合金镀层使其表面电阻率大幅度降低到5.47×10-2Ω/cm 左右，使塑料具有了导电性能。

表1 沉积时间与镀层金属Ni-Co沉积量、表面电阻率关系Table 1 The deposit time and deposit rate of metal Ni-Co and its surface resistivity

2.3 电磁屏蔽性能

将EG压制成直径为100 mm、厚度为2 μm的圆片试样，用网络分析仪测定其屏蔽效能的高低，频率扫描点为200，400，600，800，1 000 MHz。图3为石墨蠕虫化学镀Ni-Co-P合金前后电磁屏蔽效能变化趋势图。

图3 电磁屏蔽效能变化Fig. 3 Electromagnetic shielding efficiency of EG and Ni-Co-P alloy plated EG

由图3 可以看出，电磁屏蔽效能随频率的变化趋势明显不同，未镀合金前膨胀石墨电磁屏蔽效能随频率的增加呈现逐渐增大趋势；镀覆合金后膨胀石墨的电磁屏蔽效能基本平稳，维持在高水平，电磁屏蔽效能均高于50 dB，最高达到69 dB。由电磁屏蔽的传输线理论（Schelkunoff理论）可知，Ni-Co-P合金可有效提高复合材料的相对磁导率和相对电导率，从而达到提高材料电磁屏蔽性能的目的。